JPS6029086B2 - 合焦点検知方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、カメラ等の光学機器における自動焦点調節装
置等において、光学系による結像パターンの鮮明度の変
化に応ずる情報を基にして合焦点状態を検出する合焦点
検知方式に関する。

従来一般に、撮像管又はフオトダィオード・アレイ、電
荷結合素子などの光電変換素子を用いて光学像をテレビ
ジョン走査方式で走査して、空間的信号分布を時系列電
気信号に変換し、その信号を電気回路で分析して光学系
の焦点が正合したかどうかを検知する方式では、光学像
の鮮明度が焦点度合により変化し、焦点が正合したとき
信号の高周波部分が増加し、不正合になると減少するこ
とを利用し、焦点正合の情報として信号の高周波成分に
注目し、信号中の高周波成分が最大になったときをもっ
て焦点正合としている。

この方式では水平走査方向と直角に交わる綿模様を持つ
パターンに対しては充分な情報を得ることができるが、
平行な綿模様のパターンの情報はほとんど得られず、一
般の被写体で生ずるすべての空間パターンに対する焦点
正合情報としては不充分であった。このため、走査方向
を順次電気的又は機械的に変更したり、走査方向の異な
る信号を合成又は交互に切換えるなどの方法が提案され
ているが、いずれも装置が複雑になり、高価となって実
用的ではない。本発明は上記の欠点を解決し、被写体パ
ターンがどの方向であっても走査方向に関係なく充分な
情報を得て合焦点状態の検知精度を向上することを目的
とする。

この目的達成のため、水平走査方向と平行な縞模様のパ
ターンの鮮明度に起因してその変換電気信号に生ずる変
化は、水平走査周期毎に現われ、垂直走査周期毎にその
状態が繰り返されることに注目し、垂直走査周波数に関
連する信号成分を取り出し、水平走査で変化する高周被
成分とともに合焦点状態の検出情報として合焦点を検知
するものである。さらに、光学系の結像画面中から目標
物体の光像を主体としたエリアのみを走査して変換した
電気信号あるいは結像面全体を走査して変換した電気信
号から所定エリアに相当する部分を抽出した電気信号を
使用するようにして、目標物体の前後周辺の他の被写体
の結像による誤信号を排除して情報の信頼度をあげ、撮
影像の鮮明度を向上しあるいは目標物体までの預り距精
度を向上するものである。以下本発明について添付図面
を参照しながら詳細に説明する。

第１図は光学系による結像面と合焦点を検出するエリア
（以下側距エリアと称す）との関係を示すもので、１は
結像面、２は棚距エリア、３は光電変換装置である。

結像面１には撮影光学系との相対的距離を変えることに
より、被写体の光学像が結像されその，焦点を正合され
る。側距エリア２は撮影又は距離測定などの対象となる
被写体の光学像のみを主に抽出して、背景又は対象外の
物体による誤情報が混入するのを避ける。光電変換装置
３は側距エリア２の２次元の光学情報を時系列電気信号
に変換する。第２図は光電変換装置３の一例を模式構成
図で、一部切断して省略してある。

図中４はフオトダイオード・アレイ（ＭＯＳイメージ・
センサ）、５はフオトダィオード・アレイ４を構成する
受光素子、６，７はシフトレジスタ、８，９，１０は信
号入力端子、１１は信号端子である。フオトダィオード
・アレイ４を図示のように多数個配列して、その多数の
受光素子５をマトリックス状に配置し、側距エリア２に
相当する受光面を形成する。この場合、各受光素子５の
大きさに相当する光学像が１画素になる。シフトレジス
タジ６は各フオトダィオード・アレイ４にそれぞれ対応
して配列され、シフトレジスタ７はシフトレジスタ６に
対応して配置してある。端子８に供給されたクロック信
号心，のパルス到来毎に、フオトダィオード・アレイ４
の各受光素子５に生じた受光量に相当する電荷が各シフ
トレジスタ６の各素子に同時に移される。端子９に供給
されたクロツク信号Ｊ２のパルス到来毎に各シフトレジ
スタ６の各素子の電荷が矢印Ａ方向にシフトされ、順次
シフトレジスタ７の各素子に並列に移され、クロック信
号心の次のパルス到来時までに転送を完了する。シフト
レジスタ７の各素子の電荷は、端子１川こ供給されるク
ロック信号心３ のパルス毎に矢印Ｂ方向にシフトされ
、クロツク信号心２の次のパルス到来時までに転送を完
了して、出力端子１１から順次出力される。したがって
、側距エリア２の光学像全体の走査が矢印Ｂと反対の水
平方向にクロツク信号Ｊ２の周期ＴＨ毎に繰り返され、
垂直方向は矢印Ａと反対の方向にクロック信号し，の周
期Ｔｖ毎に繰り返して行なわれて時系列電気信号に変換
され出力端子１１から出力されることになる。この電気
信号はクロック信号Ｊ３ のパルスでサンプリングされ
た画素単位のビット信号波形になるが、必要に応じてサ
ンプリングホールドなどの常套手段で連続したアナログ
信号に容易に変換することができる。このように空間的
光学情報を時系列電気信号に変換する手段はテレビジョ
ンカメラやＣＣＤ、ＢＢＤによる固体撮影装置などで既
に一般に実用されており、光学像が水平方向とともに垂
直方向に走査されて電気信号に変換されるものであれば
特にここに説明した光電変換装置に限るものではない。
第３，４，５図は被写体の特定パターンの光学像の鮮明
度の相違により、変換された電気信号中の情報の変化状
態を説明するためのもので、第３図は特定の被写体の結
像面１上の光学像を示し、ａは水平走査方向にほぼ直角
な縞模様を持つ焦点正合パターン、ｂはその焦点不正合
（ピンボケ）パターン、ｃは水平走査方向にほぼ平行な
綿模様を持つ焦点正合パターン、ｄはその焦合不正合（
ピンボケ）パターンである。

これらは説明および図示の便宜上いずれも唯一本の黒常
としたが、複数の黒又は白の帯であっても差支えない。
第４図は第３図の各パターンの測定エリア２にそれぞれ
対応する時系列電気信号中の垂直走査周期Ｔｖ間を抽出
して、その波形を示したもので、ｅ，ｇ，ｉ，ｋはパタ
ーンａ，ｂ，ｃ，ｄにそれぞれ対応する波形、ｆ，ｈ，
ｉ，ｉはそれらの信号から高周波成分を除いた波形であ
る。図中１２，１３，１４，１５は情報信号、Ｓｖは垂
直同期信号、ＳＨは水平同期信号、ＴＨは水平走査周期
、Ｔｖは垂直走査周期を示す。第５図は上記電気信号中
に分布する同期信号Ｓｖ，ＳＨおよび情報信号１２，１
３，１４，１５の周波数スベクトラムと特定周波数帯域
との関係を示す。図中ナｖは垂直走査周波数、メ日は水
平走査周波数、１６は特定高周波帯域、ナ，はその下限
遮断周波数、１７は特定低周波帯城、ナ２，ナ３ はそ
の下限、上限の遮断周波数であり、実線の分布はそれぞ
れ周波数〆ｖ，ナ日の同期信号Ｓｖ，ＳＨを、破線の分
布は信号１２，１３および１４，１５のスベクトラムを
模式的に示したものである。これらの図から明らかなよ
うに、パターンａ，ｂの信号は水平走査周期ＴＨの走査
期間に信号１２，１３として現われるが、パターンｃ，
ｄは同周期ＴＨの走査期間には変化を与えない。

一方パターンｃ，ｄは垂直走査周期Ｔｖの走査期間内で
水平走査周期ＴＨ毎の変化として現われ、パターンａ，
ｂは各水平走査周期ＴＨ間では変動を生じない。このこ
とは信号中から高周波成分を除いた波形ｆ，ｈ，ｉ，ｉ
をみるとさらに判然とし、波形ｆ，ｈは垂直走査期間で
ほとんど平坦であるが、波形ｉ，ｉでは信号１４，１５
として大きな変動が認められる。パターンａ，ｃの信号
１２，１４はほぼ矩形波に近く、その立上り、立下りが
急峻で高調波成分を多く含み、パターンｂ，ｄの信号１
３，１５はほぼ正弦波形に近く、高調波成分がほとんど
なくなる。又信号１２，１３又は１４，１５の基本周波
数成分はパターン綿の数でも変るが、それぞれ水平走査
周期ＴＨ又は垂直走査周期Ｔｖに関連していることに注
目すると、水平走鯛波数ん＝壬、垂直走鯛波数ふ＝式で
あり、一般に垂直走査周波数ナｖに比し水平走査周波数
ナ日は遥かに高いので、高周波帯城１６の下限遮断周波
数〆，を水平走査周波数ナ日より高く、しかも情報信号
の水平走査周波数ナ日に関連する基本波成分をなるべく
除去できるように選定し、低周波帯城１７の下限遮断周
波数ナ２を垂直走査周波数ナｖより高く、しかも情報信
号の垂直走査周波数〆ｖに関連する基本波成分をなるべ
く除去できるように選定し、低周波帯城１７の上限遮断
周波数ナ３を水平走査周波数〆日より低く選定する。

〆，，〆２，「３ をそのように選定することによって
信号１２，１３又は信号１４，１５の波形の相違による
高調波成分の変化が、高周波帯城１６又は低周波帯域１
７に現われるようにする。即ちパターンａからｂにある
いはｂからａに、又はｃからｄにあるいはｄからｃに移
ることにより、高周波帯域１６又は低周波帯域１７内の
信号成分が増減し、合，焦点時にそれぞれ最大となる。

一般の被写体で額』距エリア２の綿模様の数が多くなる
とその信号の基本周波数が高くなり、基本波が除去され
ないことになるが、この場合は光学系の解像度あるいは
受光素子数などで基本波成分自体が．焦点の不正合とと
もに減衰するので問題はない。このように両帯域から信
号成分の変化情報を得ることにより、あらゆる空間パタ
ーンに対して光学系の合焦点状態を検知することができ
る。第６図は本発明を適用した合．焦点自動制御回路の
一例を示すブロック図で、２０は信号入力端子、２１は
増幅器、２２は本発明による合焦点検知回路で、第７，
８図にその具体例が示してある。２３はサーボ回路、２
４は光学系を駆動する駆動モータ、２５は表示駆動回路
、２６は表示部である。

入力端子２０から光電変換装置３の出力である電気信号
が増幅器２１に供給され、増幅器２１は受光素子５の微
弱な信号を増幅し、要すればビット信号をアナログ信号
に変換したり、ディジタル信号をＡＤ変換などの処理を
し、又同期信号Ｓｖ，ＳＨ期間のレベルの設定など波形
整形を行なって出力し、合焦点検知回路２２に供給する
。なお、本発明による合焦点検知回路２２では同期信号
Ｓｖ，ＳＨのレベルを信号の平均レベルに設定すると更
に検知精度が向上する。合焦点検知回路２２は入力信号
中の特定高周波帯城１６と特定低周波帯域１７からそれ
ぞれ焦点情報のみ取出しそのレベルを検出し、合焦点検
知信号として出力するが、それぞれの情報のレベルを検
出して加えても良いし両情報の和のレベルを検出しても
良い。サーボ回路２３は駆動モータ２４を介して図示し
ていない光学系と結像面との相対距離を変動させつつ、
合焦点検知回路２２の出力を受けて記憶し、その言己億
値より後続して入力する信号が大きいときのみその記憶
を更新するようにして、入力信号の極大値を検知すると
ともに、そのときを合焦点として、駆動モータ２４を制
御して合焦点で停止せしめ、光学系と結像面との相対距
離を確定する。また、合焦点検知回路２２からの出力は
表示駆動回路２５に供給されて、入力に応ずる表示信号
が生成され、メーター等の表示部２６に送られて表示さ
れる。この表示の最大時が焦点の正合時を現わすことに
なる。第７図は合焦点検知回路２２の一具体例を示すブ
ロック図で、３０は信号入力端子、３１は遮断周波数ナ
，の高城通過櫨波器、３２は遮断周波数〆３の低域通過
櫨波器、３３は遮断周波数〆２の高城通過櫨波器、３４
，３５はゲート回路、３６，３７は信号レベル検出器、
３８はＯＲ回路、３９は信号出力端子である。

増幅器２１からの電気信号は入力端子３０から高城通過
櫨波器３１と低域通過猿波器３２に供給され、高城通過
猿波器３１は信号の高周波成分を通過し、低域通過猿波
器３２は信号の低周波成分を通過して更に高城通過穂波
器３３に供給され、それぞれの遮断周波数ナ，，〆２，
メ３ によって特定周波数帯城１６の高周波成分と、特
定周波数帯城１７の低周波成分が取出されてゲート回路
３４，３５にそれぞれ供給される。ゲート回路３４，３
５は各渡波器３１，３２，３３を信号が通過する際に生
ずる同期信号Ｓｖ，ＳＨの立上り、立下りに起因する過
渡的信号を除去するために各同期信号期間及びその前後
を信号が通過しないようにするもので、ゲート回路３４
には垂直同期信号Ｓｖ及び水平同期信号ＳＨより幾分幅
の広いゲート制御信号ＳＧ，を加えて高城通過猿波器３
１から出力された高域周波成分から各同期信号成分を取
除いて信号レベル検出器３６に供給し、ゲート回路３５
には垂直同期信号Ｓｖより幾分幅の広いゲート制御信号
ＳＧ２を加えて高域通過櫨波器３３から出力された低周
波成分から垂直同期成分を取除いて信号レベル検出器３
７に供給する。レベル検出器３４，３５は電気信号から
取り出された高周波成分と低周波成分を整流、平滑して
振幅に比例した直流電圧に変換してそれぞれＯＲ回路３
８へ入力する。ＯＲ回路３８の出力からは両入力電圧の
和が取り出され、出力端子３９から合焦点検知信号とし
て出力される。この例では、低周波成分を取り出すため
、低減通過濠波器３２と高城通過嬢波器３３を縦続した
が、この代りに遮断周波数ナ２，「３の帯城通過嬢波器
を使用しても同じ作用をする。第８図は合焦点検知回路
２２の他の具体例を示すブロック図で、４０は遮断周波
数ナ２の高城通過猿波器、４１は遮断周波数〆，，ナ３
の帯城消去猿波器、４２はゲート回路、４３は信号レ
ベル検出器である。

入力端子３０に供給された電気信号中から周波数ナ２以
下の低周波成分が高城通過櫨波器４０で阻止され、次に
周波数ナ３から周波数ナ１までの中城周波数成分が帯城
消去櫨波器４１で除去されて、周波数帯域１６と１７の
周波数成分からなる情報信号が取出されてゲート回路４
２を介して信号レベル工検出器４３に供給される。この
情報信号はゲート回路４２でゲート回路３４と同じよう
にゲート制御信号ＳＧ，が加えられて、各渡波器４０，
４１によって生ずる各同期信号Ｓｖ，ＳＨの立上り、立
下り時の過渡的信号を除去され、次に信号レベル検出器
４３で、整流、平滑してそれらの周波数成分の振幅に比
例した直流電圧に変換され出力端子３９から出力される
。

先にフオトダィオード・アレイ４を多数個配列し、側距
エリア２を電気的に走査して時系列電気信号に変換した
が、機械的走査と並用することによっても実現できる。
第９図はその一例を示す原理図で、５０は反射鏡、５１
は反射鏡５０１こ固定した軸で、図示してない軸受で回
転自在に軸止されている。側距エリア２から反射鏡５０
を介してフオトダィオード・アレイ４で受光し、水平方
向に電気的に走査すると同時に矢印Ｃのように軸５１を
機械的に往復回動して反射鏡５０もこよる反射位置を移
動し垂直方向の走査を行なうと、光電変換素子は１個で
良いことになる。さらに反射鏡を設け、水平方向の走査
をも機械的に行なうと、フオトマルチ光電管、フオトダ
ィオードなどの単一機能素子でも変換が可能となる。本
発明は又テレビジョンカメラの光学系にも適用され、そ
のテレビジョンカメラの出力信号中から側距エリア２に
相当するマスク信号で抜き取ったビデオ信号を前記電気
信号として用いれば良い。

テレビジョン信号として必ずしも標準方式に限らず、工
業用におけるランダム走査方式でも差支えない。

以上詳述したように、本発明によれば簡単な処理回路を
付加するだけで、あらゆる被写体のパターンに対して合
焦点検知が可能となり、しかも精度が向上するもで、そ
の効果は極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は結像面と側距エリアとの関係を示す図、第２図
は光電変換装置の一例を示す一部切断省略した模式構成
図、第３図ａ乃至ｄは特定被写体の光学像パターン図、
第４図は第３図ａ乃至ｄの特殊パターンに対応する電気
信号の波形図、第５図は電気信号の周波数スベクトラム
と特定周波数帯城との関係を示す図、第６図は本発明の
実施例を示すブロック構成図、第７図は本発明における
合焦点検知回路の具体例を示すブロック構成図、第８図
は本発明における合焦点検知回路の他の具体例を示すブ
ロック構成図、第９図は走査方式の他の例を示す原理図
である。 １…・・・結像面、２・・…・柳距エリア、３・・・・
・・光電変換装置、４・…・・フオトダィオード・アレ
イ、１６・・…・特定高周波帯城、１７……特定低周波
帯城、２２・・・…合焦点検知回路、３１，３３，４０
・・・・・・高城通過渡波器、３２・・・・・・低域通
過猿波器、３４，３５，４２・・・・・・信号レベル検
出器、４１・・・・・・帯城消去猿波器、５０・・・・
・・反射鏡。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光学系と結像面との相対的距離を変動させつつ、前
   記結像面中の所望被写体の少くとも一部を含む所定エリ
   アを水平方向の走査を繰返しながら垂直方向に走査して
   、前記所定エリアの空間的光学情報を時系列電気信号に
   変換し、該電気信号中から水平走査周波数より高い周波
   数成分と、垂直走査周波数より高くかつ前記水平走査周
   波数より低い周波数成分とを検出し、その両検出出力に
   よつて前記被写体に対する合焦点を検知することを特徴
   とする合焦点検知方式。